D’autres solutions que les grilles à faible espacement entre les barreaux, existent
éga-lement. Les grilles Eicher ou «skimming» (Figure 4.16), à faible angle d’inclinaison, ont été
développées dans des prises d’eau à surface libre, dans des tuyaux ou dans des conduites
forcées pour détourner le poisson vers la goulotte de dévalaison en surface. La grille est
constituée de barres en fil de fer de section triangulaire de 2 mm espacées de 2 mm. Ce
type de grilles, bien qu’efficace en terme de guidage de poisson, a été peu implémentée du
fait qu’il génère de fortes pertes de charges (Courret et Larinier, 2008). Dans les régions
montagneuses, certaines des prises d’eau sont des prises tyroliennes, en particulier sur les
ruisseaux à fort transport de sédiments et les sites à accès complexe. Pour chacun des trois
types de ces prises, des solutions de barrières ont été adaptées:
— Prise d’eau Lépine: l’eau tombe sur une plaque perforée. Ce type de prise d’eau est
assez fréquent en France (Figure 4.17).
— Prise d’eau «classique»: l’eau passe par une grille à barreaux longitudinaux, plus ou
moins inclinées vers l’aval (Figure 4.18).
— Prise d’eau Coanda: l’eau passe par une grille à barreaux transversaux utilisant l’effet
Coanda qui est l’attraction ou l’attachement d’un jet de fluide par une surface convexe
sur laquelle il s’écoule (Figure 4.19).
L’ensemble de ces solutions semble innovant et requière davantage d’études pour
déter-miner entre autre leur application sur d’autre type de prise d’eau. Dans ce contexte, les
plaques perforées paraissent intéressantes en dehors des prises d’eau Lépine. En effet,
l’inclinaison ou l’orientation de ce dispositif dans une prise d’eau classique serait une
al-ternative possible aux grilles à faible espacement entre les barreau, représentées dans la
Figure 4.20. De plus, ce genre de dispositif pourrait être un moyen de guidage des poissons
adéquat et peut être plus facilement nettoyé. Afin de répondre aux questionnements sur
l’efficacité des plaque perforées, cette partie vient quantifier les pertes de charge qu’elles
génèrent et analyser la courantologie amont et aval de ce type de dispositif.
FIGURE 4.16 – Grille Eicher (EPRI, 1987).
FIGURE 4.17 – Diagramme de la prise d’eau Lépine (en haut) et exemple de la prise d’eau
Brides les Bains (d’altitude 695 m) sur la rivière du Doron des Allues – France (en bas et
sans eau) (Dewitte et David, 2018).
FIGURE 4.18 – Exemple d’une prise d’eau tyrolienne classique: Saint Marcel sur le Doron
de la rivière de Bellevillle (d’altitude 1437 m) (à gauche) et Bocognano sur la rivière du
Gravone (d’altitude 890 m) (à droite) – France (Dewitte et David, 2018).
FIGURE 4.19 – Diagramme d’une prise d’eau Coanda et exemple de la prise d’eau Coanda
d’Escouloubre (d’altitude 977 m) sur la rivière de l’Aude – France (Dewitte et David, 2018).
4.2.1 Pertes de charge
La plaque perforée testée est une plaque en acier d’une épaisseur de 3 mm, percée
d’ori-fices de forme oblongue. Comme la grille à faible espacement entre les barreaux, la taille
de l’orifice est caractérisée par sa largeur a1 et sa hauteur a2 mais aussi la distance entre
les orifices successifs p1 et p2 (Figure 4.21). Ils peuvent être placés parallèlement (a), ou
en quinconce verticalement (b) ou horizontalement (c) (Figure 4.22). La largeur des orifices
FIGURE 4.20 – Exemple de mise en place de plaques perforées associées à des exutoires,
inclinée (à gauche) et orientée (à droite).
doit être inférieure à la plus petite dimension du poisson, sa largeur pour le trou oblong
vertical et sa hauteur pour le trou oblong horizontal pour constituer une barrière physique.
Les poissons étant capables de se ’pencher’, il est préférable de toujours considérer la
lar-geur. Les mêmes critères que pour les grilles à faible espacement entre les barreaux et les
valeurs choisies sont directement appliquées à l’espèce de poisson.
FIGURE 4.21 – Dimensions des orifices des plaques perforées.
Le taux de blocage, fixé par des raisons de tenue mécanique, a été calculé pour une grille
composée de barreaux d’un rapport entre la largeur du barreau et l’espacement entre les
barreaux e /b = 2 et nous avons obtenu un blocage de 0.35 ou une porosité de 65%. Ceci
correspond aux grilles préconisées aujourd’hui.
Pour une porosité fixe de 66% proche de la valeur calculée, nous avons testé différentes
hauteurs (100; 200 mm) et largeurs (10; 15; 20 mm) d’orifices, des orifices parallèles ou en
FIGURE 4.22 – Types des plaques perforées: (a) avec des orifices parallèles, (b) avec des
orifices en quinconce verticaux et (c) avec des orifices en quinconce horizontaux .
TABLEAU4.3 – Paramètres des plaques perforées testées.
a1 (mm) a2 (mm) p1 (mm) p2 (mm) Type Porosité (%)
15 100 42 108 Quinconce verticaux 66
10 100 28 108 Quinconce verticaux 66
20 200 58 208 Quinconce verticaux 66
15 200 44 207 Quinconce verticaux 66
15 100 21 108 Parallèle verticaux 66
10 100 14 108 Parallèle verticaux 66
20 200 29 208 Parallèle verticaux 66
15 200 22 207 Parallèle verticaux 66
100 15 108 42 Quinconce horizontaux 66
quinconce, et des orifices horizontaux ou verticaux. L’objectif est de pouvoir choisir la taille
des orifices en fonction des espèces cibles. Un total de neuf plaques perforées est comparé
avec le même taux de blocage et pour 6 angles d’inclinaison de la plaque β (15˚, 25˚, 35˚,
45˚, 60˚, 90˚). Le tableau 4.3 résume les paramètres géométriques des différentes plaques
testées. Chaque plaque est maintenue par deux supports latéraux dans lesquels elle est
encastrée et quelques tiges transversales de diamètre 10 mm sur lesquelles elle repose
(Figure 4.23), qui ajoutent une obstruction supplémentaire. La vitesse amont est fixée à
0.72 ms−1 et la hauteur d’eau amont H1 est imposée à 0.7 m pour la mesure des hauteurs
d’eau ainsi que de la vitesse après avoir vérifié que les résultats ne varient pas avec la
vitesse. Le nombre de Froude est 0.275 et le nombre de Reynolds calculé à partir de la
hauteur d’eau 720000.
pied de grille situé à x=0 et respectivement positionnées à x = -2 m et x = -1 m en amont
de la grille et à x = +2.6 m et x = +3.6 m en aval de la grille. Elles sont situées dans le plan
médian du canal à y=0.5 m du canal. La Figure 4.24 schématise l’emplacement des sondes
dans le plan (x,z) et du maillage des profils de vitesse en rouge en amont et en aval des
grilles.
FIGURE4.23 – Plaques perforées testées avec les supports longitudinaux et les tiges
trans-versales.
FIGURE 4.24 – Vue de côté du canal à surface libre avec la plaque perforée inclinée.
L’em-placement des profils de vitesse est repéré en rouge à 50 mm en amont et à 400 mm en aval
de la plaque. Les sondes de la hauteur d’eau sont repérées par S0, S1, S2, S3.
La Figure 4.25 montre l’évolution du coefficient de perte de charge en fonction de l’angle
d’inclinaison pour les différentes plaques perforées. Le coefficient diminue avec l’angle de
la même manière que les coefficients de la grille inclinée. Les barres transversales qui
supportent la plaque n’affectent pas le coefficient au plus petit angle (15˚) en raison de leur
faible diamètre contrairement aux entretoises qui séparent les barreaux. Les plaques avec
des orifices parallèles fournissent le même coefficient de perte de charge que les plaques
avec des orifices en quinconce à angle égal. Si l’on considère maintenant l’orientation de
l’orifice, la plaque avec des orifices horizontaux en quinconce produit un coefficient de perte
de charge plus élevé que la plaque avec des orifices verticaux de même largeur et hauteur,
ce qui pourrait être attendu du fait de son opposition face à l’écoulement.
FIGURE 4.25 – Coefficient de pertes de charge mesurés des plaques perforées en fonction
de l’angle d’inclinaison. Pour les orifices (verticaux V et horizontaux H) en quinconce (à
gauche), pour les orifices parallèles (à droite) et les différentes largeurs a1et hauteurs a2.
Les formules de perte de charge ont été évaluées à partir de ces mesures pour
pou-voir prédire la perte d’énergie pour de telles configurations comparables. La formule de
Raynal et al. (2013a) est testée et validée sur les résultats expérimentaux présentée dans
l’équation 4.8:
ξRaynal=ξplaques+ξentretoises (4.8)
ξplaques =Ai
Ob
1−Ob
1.65
sin2β (4.9)
ξentretoises=C
Osp
1−Osp
0.77
(4.10)
Ai= (ξ−ξentretoises)
ξplaques avec β = 90
◦ (4.11)
Les coefficients de forme identifiés par ces équations varient entre 3.3 et 3.7 (tableau
4.4) pour la plaque à orifices verticaux parallèles ou en quinconce et est plus élevé pour la
plaque à orifices horizontaux. Les coefficients R2 sont très proches de 1 ce qui signifie que
les valeurs mesurées sont très bien approximées par la formule et ces coefficients. Pour
comparer avec les grilles à barreaux, le coefficient de forme d’un barreau rectangulaire est
de 3.85 et les formes de barreaux modifiées, étudiés dans le chapitre précédent, ont donné
des coefficients inférieurs à 3.
TABLEAU 4.4 – Coefficient Aimodélisé pour les différentes configurations des plaques.
Type Quinconce Parallèle Quinconce H
a1 (mm) 10 15 15 20 10 15 15 20 100
a2 (mm) 100 100 200 200 100 100 200 200 15
Ai 3.2 3.4 3.3 3.7 3.7 3.3 3.3 3.4 4.3
R2 0.993 0.998 0.998 0.998 0.987 0.997 0.994 0.992 0.998
Global Ai 3.33 avec R2=0.964 4.3
Pratiquement, la plaque perforée à orifices oblongs verticaux parallèles pourrait
consti-tuer une alternative techniquement simple aux barreaux. Il paraît possible de rigidifier la
plaque en y soudant des barreaux verticaux fins, ou horizontaux dans le sens de
l’écoule-ment sans augl’écoule-menter les pertes de charge si les trous sont parallèles.
TABLEAU 4.5 – Comparaison des pertes de charge ∆H (mm) pour une grille inclinée à
barreaux hydrodynamique et Têtard 8 et pour une plaque perforée pour trois espacements
e (10, 15 et 20 mm), une largeur de barreau b = 7 mm et deux angles d’inclinaisonβ (15 et
25˚) et une vitesse de 0.7 ms−1et 11 barres d’entretoises pour 15˚et 7 barres pour 25˚.
∆H (mm) Grille inclinée b =7 mm Plaque perforée
Angles (˚) 15 25 15 25
Forme de barreau HYD Têtard 8 HYD Têtard 8 -
-e =10 mm 7.0 mm 6.1 mm 11.2 mm 8.6 mm 3 mm 7.9 mm
e =15 mm 6.5 mm 5.9 mm 8.8 mm 7.4 mm 3 mm 7.9 mm
e =20 mm 6.4 mm 6.1 mm 7.9 mm 7.1 mm 3 mm 7.9 mm
Le tableau 4.5 compare les pertes de charge générées par les grilles inclinées à barreaux
hydrodynamiques et Têtard 8 et les plaques perforées pour trois espacements e (10, 15 et
20 mm), une largeur de barreaux b = 7 mm et deux angles d’inclinaison β (15 et 25˚). Ce
tableau montre que les plaques perforées génèrent moins de pertes de charge que les grilles
inclinées à barreaux hydrodynamiques. Les barreaux Têtard 8 génèrent moins de pertes
de charge que les barreaux hydrodynamiques mais la différence avec les plaques perforées
est du même ordre. Les plaques perforées réduisent encore plus les pertes de charge que
les autres configurations de grille en raison de l’absence des entretoises. Dans ce cas, si les
barres de soutien sont soudées derrière les plats de maintien , les pertes de charge dues au
support disparaissent.
4.2.2 Vitesse
Deux profils de vitesse ont été mesurés: un à 50 mm en amont le long de la plaque
afin de vérifier les critères ichtyocompatibles et un à 400 mm en aval de la plaque afin de
vérifier la symétrie de l’écoulement en direction des turbines.
Profils de vitesse en amont des plaques
La composante axiale de la vitesse normalisée par Vola vitesse débitante en amont, les
composantes normale et tangentielle de la vitesse et le rapport entre la vitesse tangentielle
et la vitesse normale en fonction de la coordonnée Z sur la hauteur d’eau H, sont
représen-tées à 25˚pour la plaque avec des orifices en quinconce (Figure 4.26) ou parallèles (Figure
4.27) verticaux à différentes largeurs a1 et hauteurs a2.
FIGURE4.26 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vola vitesse débitante en amont,
(a) de la composante axiale, (b) de la composante tangentielle, (c) de la composante normale
et (d) du ratio des vitesses tangentielles et normales des plaques perforées à orifices
verti-caux en quinconce, pour des différentes largeurs a1 et hauteurs a2, en fonction de Z/H.
La vitesse axiale est proche de 1 Vo et une faible augmentation de vitesse apparaît en
bas et est vraisemblablement liée au support de la plaque qui introduit un petit blocage
au pied de la plaque. La vitesse tangentielle est quasiment constante le long de la plaque
avec une petite accélération au pied de la plaque. L’accélération locale est plus élevée pour
les orifices verticaux parallèles. La vitesse normale diminue légèrement de 0.58 à 0.5 Vo
avec la profondeur de l’eau pour les orifices verticaux en quinconce tandis qu’elle augmente
FIGURE 4.27 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vo la vitesse débitante en
amont,(a) de la composante axiale, (b) de la composante tangentielle, (c) de la composante
normale et (d) du ratio des vitesses tangentielles et normales des plaques perforées à
ori-fices verticaux parallèles, pour des différentes largeurs a1 et hauteurs a2, en fonction de
Z/H.
pour les orifices verticaux parallèles. Enfin, le rapport Vt / Vn varie de 1.8 à 2 en fonction
de la hauteur pour les orifices en quinconce tandis que ce rapport diminue de 2 à 1.8 à la
surface de l’eau pour les orifices parallèles.
FIGURE4.28 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vola vitesse débitante en amont,
(a) de la composante normale et (b) du ratio des vitesses tangentielles et normales des
plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (V) et parallèles verticaux (V) et les
orifices en quinconce horizontaux (H), pour a1= 15 mm et a2= 100 mm, en fonction de Z/H,
pour deux angles d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.
pour l’inclinaison de la plaque de 35˚du fait de la constitution des lignes de courant de
l’écoulement en lien avec les orifices (Figure 4.28). Les comportements des différentes
com-posantes de la vitesse et du rapport Vt/ Vnpour la plaque perforée à orifices horizontaux en
quinconce sont similaires à ceux obtenus pour les orifices verticaux en quinconce (Figure
4.28).
FIGURE4.29 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vola vitesse débitante en amont,
(a) de la composante normale et (b) du ratio des vitesses tangentielles et normales des
plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (V) et parallèles verticaux (V) et les
grilles inclinées (GI) (e/b=2; PR), pour a1= 15 mm et a2= 100 mm, en fonction de Z/H, pour
deux angles d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.
La Figure 4.29 représente la comparaison des profils de vitesse mesurés avec une grille
inclinée avec le même blocage. Les résultats sont similaires pour la vitesse normale et le
rapport Vt / Vn en ce qui concerne la plaque perforée avec des orifices en quinconce pour
les deux angles d’inclinaison 25 ˚et 35 ˚. En conclusion, les vitesses en amont des plaques
perforées sont invariantes à la disposition des orifices et à leurs dimensions et valident
les critères ichtycompatibles souhaitées. Aussi, cette invariance permet de choisir les
di-mensions des orifices optimales en fonction des espèces cibles de poissons et de pouvoir en
même temps une facilité de nettoyage pour le producteur de la centrale hydroélectrique.
Profils de vitesse en aval des plaques
En aval des plaques perforées, la vitesse axiale est analysée pour voir leur effet sur
l’uniformité de l’écoulement en direction des turbine. Toutes les vitesses sont mesurées à
400 mm en aval de la grille. Les autres composantes de la vitesse (Vy et Vz) sont
négli-geables. La Figure 4.30 présente les profils de la vitesse axiale normalisée par V2la vitesse
débitante en aval des plaques perforées à orifices verticaux en quinconce et parallèles,
in-clinées à 25 ˚, pour différentes hauteurs a2 (100 et 200 mm) et largeurs a1 (10; 15 et 20
mm). Les profils se superposent et montrent l’invariance de la vitesse par rapport aux
dimensions des orifices mais aussi à leur disposition sur la plaque.
FIGURE 4.30 – Comparaison des vitesses normalisées sur V2 la vitesse débitante en aval,
de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (a) et
paral-lèles verticaux (b) pour différents a1 et a2, en fonction de Z/H, pour un angle d’inclinaison
β = 25˚.
débitante en aval des plaques perforées à orifices verticaux en quinconce et parallèles et à
orifices horizontaux en quinconce, inclinées à 25˚et 35˚, pour une hauteur a2 100 = mm et
une largeur a1= 15 mm. Les profils sont identiques et prouvent l’invariance par rapport à
l’angle d’inclinaison. Il y a quelques légères différences à proximité de la surface libre où
pour les orifices horizontaux en quinconce, pour l’angle 25˚, le profil est décéléré à Z/H de
0.7 à 0.8.
FIGURE 4.31 – Comparaison des vitesses normalisées sur V2 la vitesse débitante en aval,
de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce et parallèles verticaux
et en quinconce horizontaux pour différents a1= 15 mm et a2= 100 mm, en fonction de Z/H,
pour deux angle d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.
La Figure 4.32 présente les profils de la vitesse axiale normalisée des plaques perforées
à orifices verticaux en quinconce et parallèles , pour une hauteur a2 = 100 mm et une
largeur a1 = 15 mm et des grilles à barreaux rectangulaires de ratio e/b = 2, inclinées à
25˚et 35˚. Les profils sont surperposés et enregistrent la même progression.
FIGURE 4.32 – Comparaison des vitesses normalisées sur V2 la vitesse débitante en aval,
de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce et parallèles verticaux
et une grille inclinée pour différents a1 = 15 mm et a2 = 100 mm, en fonction de Z/H, pour
deux angle d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.
Discussions
L’étude des plaques perforées montre que l’adoption de cette alternative aux grilles à
faible espacement entre les barreaux réduit les pertes de charge de 20 à 50% en fonction
de l’angle. En effet, la mesure et la modélisation des pertes d’énergie n’ont montré aucune
influence de la disposition des orifices, ni de leurs dimensions ce qui amène à un choix
spé-cifique en fonction des espèces cibles. De plus, l’avantage des plaques à orifices parallèles
est tel que les barres de maintien peuvent être dissimulés en dehors des orifices ce qui
minimise par conséquent les pertes de charge.
Par ailleurs, l’analyse de la courantologie en amont de ces plaques confirme leur
valida-tion des critères ichtycompatibles et sont donc favorables au guidage des poissons vers les
exutoires de contournement. Ces exutoires n’ont pas été étudiés lors de cette thèse mais
seraient dimensionnés selon les critères adoptés pour les grilles inclinées, à savoir une
largeur de 1m et une hauteur de 0.5m avec les préconisations présentes dans (Courret et
Larinier, 2008) pour l’espacement et le nombre adéquats, détaillés dans le chapitre 1.
Contraiement à ce qui est observé pour les grilles munies de barreaux, la courantologie
en aval des plaques perforées présente des profils quasiment homogènes en direction des
turbines, ce qui n’altère pas le fonctionnement de celles-ci si elles sont placées juste en
aval direct des plaques. Cette meilleure homogénéité de l’écoulement aval réduit donc les
contraintes d’implantation des plaques qui peuvent potentiellement être positionnées à
proximité immédiate de la chambre d’eau . D’autre part, ces plaques peuvent être placées
de façon orientées et formeront également une solution alternative aux grilles orientées à
barreaux horizontaux.
4.3 Bilan
Les grilles orientées à barreaux horizontaux semblent des alternatives performantes
aux grilles orientées à barreaux perpendiculaires au plan de grille et sont aussi, voire plus
efficaces que les grilles orientées à barreaux verticaux dans le sens de l’écoulement. Les
résultats des plaques perforées montrent que celles-ci constituent une alternative possible
aux grilles inclinées conventionnelles. L’invariance des résultats vis à vis de l’orientation et
de la disposition des orifices choisis indique également que les plaques perforées pourraient
être utilisées en remplacement de grilles orientées, ou, plus généralement, être adaptées
à des ouvrages pour lesquelles une disposition de plaques plus complexe devrait être
envi-sagé en termes d’inclinaison, d’orientation ou de combinaison de ces deux paramètres. En
termes pratiques, il reste à déterminer quel type de rigidificateurs peuvent être adoptés
sur ces plaques afin de limiter les pertes de charge additionnelles. Les plaque perforées
pourraient alors être adaptées à des sections de forme quelconque et à de multiples
confi-gurations de canaux d’amenée sans modification majeure du génie civil.
Ce travail de thèse avait pour objectif d’optimiser les grilles ichtyocompatibles
exis-tantes et d’étudier d’autres configurations de grilles possibles en cherchant à assurer à la
fois la dévalaison des poissons et l’efficacité de production des centrales hydroélectriques.
Le premier dessein était de quantifier les pertes d’énergie dues aux grilles inclinées avec
des supports et des formes différentes de barreau, tels qu’employées dans certaines
cen-trales mais non modélisées jusqu’à maintenant. Ensuite, le suivi de ces grilles implantées
dans les centrales a été effectué à travers des campagnes de mesure de la courantologie à
la centrale de Las Rives. Cette dernière a été également modélisée numériquement dans
le but de constituer un outil de prédiction. Enfin, dans le cadre des nouvelles solutions de
barrières physiques, la grille orientée à barreaux horizontaux et la plaque perforée ont été
étudiées.
Dans cette démarche d’analyse hydrodynamique de l’écoulement à travers les différents
dispositifs, plusieurs outils (sondes à ultrason, ADV, ADCP, courantomètre
électromagné-tique et simulations RANS) ont été déployés. L’objectif était, à partir d’expériences de
labo-ratoire, in situ et de simulations numériques, de répondre aux questionnements physiques
et théoriques.
Les premières problématiques posées étaient les pertes de charge de différents profils
de barreau et l’addition de structures derrière la grille. Cette étude a permis d’identifier
Dans le document
Étude des grilles de prises d'eau ichtyocompatibles
(Page 140-176)